Сообщение история открытия черных дыр

Обновлено: 02.07.2024

Черные и белые дыры – это одна из главных загадок астрофизики. Первые изучаются с конца XVIII века, гипотезу о вторых выдвинул сам Альберт Энштейн. Делимся определением этих терминов:

Черная дыра – гравитационное поле, расположенное в искривленной области пространства и времени. Она обладает огромным гравитационным притяжением, ее не способны покинуть даже те объекты, которые движутся со скоростью света (включая кванты самого света);
Белая дыра – область в пространстве, не пропускающая в себя энергию и материю, но выбрасывающая их в огромном количестве.

История черных дыр началась в 1783 году, когда английский физик Джон Мичелл выдвинул теорию о том, что световые частицы подчиняются законам механики. А значит, небесные тела способны поглощать свет. Аналогичную гипотезу выдвинул французский ученый Пьер Лаплас. Суть открытия: если гравитация небесных тел достаточно сильна, чтобы скорость убегания превосходила скорость света, световые частицы, направленные в зенит, не уйдут в бесконечность.

В 1915 году Альберт Эйнштейн завершил работу над теорией гравитации, в рамках которой Карл Шварцшильд рассчитал метрику пространства и времени внутри и вне звезды. Он утверждал, что радиус звезды может замедлять поток времени, искривлять пространство, замораживать излучение. В дальнейшем были сделаны следующие открытия:

Звезды с массой в 1,39 Солнца и больше сбрасывают оболочку и трансформируются в медленно остывающий белый карлик после исчерпания ядерного топлива;
Взрывы сверхновых звезд провоцируют возникновение плотных тел из нейтронной материи;
В ходе коллапса, массивная звезда начнет стягиваться к гравитационному радиусу.

Наконец, в 1967 году Джон Арчибальд Уилер описал свойства черных дыр, впервые использовав этот термин в науке. Позже его работу продолжил Стивен Хокинг и ряд других великих ученых.

Теория белых дыр

Альберт Эйнштейн, Игорь Новиков, Стивен Хокинг и другие ученые допускали возможность существования белых дыр, развернутых во времени. Они не впускают в себя энергию и материю, но выпускаю их наружу. Эта теория противоречит второму закону термодинамики и ряду других принципов физики. С другой стороны – ее никто не опроверг.

Теория белых дыр объясняется следующим образом: представьте, что вы снимаете фильм. Сначала звезда умирает. Затем в нее попадает пыль и другая материя. В конечном итоге образовывается черная дыра. Если же повернуть время вспять (что вполне вписывается в общую теорию относительности), мы увидим белую дыру, из которой появляется новая звезда.

Пока что человечеству не известна ни одна белая дыра в космосе. Но возможно, в ближайшие десятилетия ситуация изменится.

Производитель оставляет за собой право вносить любые изменения в стоимость, модельный ряд и технические характеристики или прекращать производство изделия без предварительного уведомления.

Другие обзоры и статьи о телескопах и астрономии:

Обзоры оптической техники и аксессуаров:

Статьи о телескопах. Как выбрать, настроить и провести первые наблюдения:

Что такое черная дыра

Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля. У некоторых черных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.

Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.

— Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.

— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.

— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной. Также космологами высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 10 14 до 10 23 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.

— Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.

Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.

При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.

Открытие черных дыр

Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.

В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.

Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.

Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.

Существует несколько типов черных дыр:

Черная звезда звездной массы. Такие объекты, согласно общепринятым гипотезам, возникают в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела, которая должна создать такой объект, составляет около трех солнечных.
Черная звезда средней массы. Промежуточный этап черной дыры, которая увеличилась за счет поглощения в себя газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд.
Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой с 10 5 –10 11 масс Солнца с достаточно невысокой плотностью и слабыми приливными силами. Именно такая черная дыра находится в центре Млечного пути.
Ультрамассивные черные дыры. Достаточно редкое явление во Вселенной. Например, в центре галактики Holm 15A, самой яркой в скоплении галактик Абель, ученые недавно обнаружили ультрамассивную черную дыру с массой в 40 млрд солнечных. Пока это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым. Обнаружить объект исследователям удалось в ходе наблюдений за движением звезд в этой галактике. Его масса вдвое больше, чем у предыдущих рекордсменов. Кроме того, он в 10 000 раз массивнее, чем черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути.

Сколько черных дыр во Вселенной?

Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.

Черные дыры – пожалуй, самые таинственные и загадочные астрономические объекты в нашей Вселенной, с момента своего открытия привлекают внимание ученых мужей и будоражат фантазию писателей-фантастов. Что же такое черные дыры и что они из себя представляют? Черные дыры – это погаснувшие звезды, в силу своих физических особенностей, обладающие настолько высокой плотностью и настолько мощной гравитацией, что даже свету не удается вырваться за их пределы.

История открытия

Позже, в 1918 году о вопросе черных дыр в контексте теории относительности писал великий ученый Альберт Эйнштейн. Но только в 1967 году стараниями американского астрофизика Джона Уиллера понятие черных дыр окончательно завоевало место в академических кругах.

Как бы там ни было, и Д. Мичел, и Альберт Эйнштейн, и Джон Уиллер в своих работах предполагали только теоретическое существование этих загадочных небесных объектов в космическом пространстве, однако подлинное открытие черных дыр состоялось в 1971 году, именно тогда они впервые были замечены в телескоп.

Так выглядит черная дыра.

Образование

Черная дыра поглощает звезду.

Маленькая ремарка – наше Солнце по галактическим меркам вовсе не является крупной звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, в черную дыру, скорее всего, не превратиться.

Но будем с вами откровенны – на сегодняшний день, ученые пока еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, несомненно, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы лет. Хотя возможно продвинуться в этом направлении могло бы обнаружение и последующее изучение так званых промежуточных черных дыр, то есть звезд, находящихся в состоянии угасания, у которых как раз происходит активный процесс формирования черной дыры. К слову, подобная звезда была обнаружена астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.

Количество во Вселенной

Согласно теориям современных ученых в нашей галактике Млечного пути может находиться до сотни миллионов черных дыр. Не меньшее их количество может быть и в соседней с нами галактике Андромеда, до которой от нашего Млечного пути лететь всего нечего – 2,5 миллиона световых лет.

Теория черных дыр

Свойства

Основное свойство черно дыры – это ее невероятные гравитационные поля, не позволяющие окружающему пространству и времени оставаться в своем привычном состоянии. Да, вы не ослышались, время внутри черной дыры протекает в разы медленнее чем обычно, и окажись вы там, то вернувшись обратно (если б вам так повезло, разумеется) с удивлением бы заметили, что на Земле прошли века, а вы даже состариться не успели. Хотя будем правдивы, окажись внутри черной дыры вы вряд ли бы выжили, так как сила гравитации там такая, что любой материальный объект просто разорвала бы даже не на части, на атомы.

А вот окажись вы даже поблизости черной дыры, в пределах действия ее гравитационного поля, то вам тоже пришлось бы не сладко, так как, чем сильнее вы бы сопротивлялись ее гравитации, пытаясь улететь подальше, тем быстрее бы упали в нее. Причинной этому казалось бы парадоксу является гравитационное вихревое поле, которым обладают все черные дыры.

Что если человек попадет в черную дыру

Испарение

Самая большая черная дыра

Согласно теории черных дыр в центре почти всех галактик находятся огромные черные дыры с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардом солнечных масс. И сравнительно недавно учеными были открыты две самые большие черные дыры, известные на сегодняшний момент, они находятся в двух близлежащих галактиках: NGC 3842 и NGC 4849.

NGC 3842 – самая яркая галактика в созвездии Льва, от нас находится на расстоянии 320 миллионов световых лет. В центре нее иметься огромная черная дыра массой в 9,7 миллиарда солнечных масс.

NGC 4849 – галактика в скопление Кома, на расстоянии 335 миллионов световых лет от нас может похвалится не менее внушительной черной дырой.

Зоны действия гравитационного поля этих гигантских черных дыр, или говоря академическим языком, их горизонт событий, примерно в 5 раз больше дистанции от Солнца до Плутона! Такая черна дыра скушала бы нашу солнечную систему и даже не поперхнулась бы.

Самая маленькая черная дыра

Но есть в обширном семействе черных дыр и совсем маленькие представители. Так самая карликовая черная дыра, открытая учеными на настоящий момент по своей массе всего лишь в 3 раза превосходит массу нашего Солнца. По сути это теоретический минимум, необходимый для образования черной дыры, будь та звезда чуть меньше, дыра бы не образовалась.

Черные дыры – каннибалы

Интересные факты

Согласно гипотезам некоторых ученых черные дыры являются не только галактическими пылесосами, всасывающими все в себя, но при определенных обстоятельствах могут и сами порождать новые вселенные.
Черные дыры могут испаряться со временем. Выше мы писали, что английским ученым Стивеном Хокингом было открыто, что черные дыры имеют свойство излучение и через какой-то очень большой отрезок времени, когда поглощать вокруг будет уже нечего, черная дыра начнет больше испарять, пока со временем не отдаст всю свой массу в окружающий космос. Хотя это только предположение, гипотеза.
Черные дыры замедляют время и искривляют пространство. О замедлении времени мы уже писали, но и пространство в условиях черной дыры будет совершенно искривлено.
Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. А именно их гравитационные поля препятствуют остыванию газовых облаков в космосе, из которых, как известно, рождаются новые звезды.

Видео

И в завершение предлагаем вам интересный научно-документальный фильм о черных дырах от канала Discovery

Давайте немного поговорим о том, как началась история изучения и открытия чёрных дыр. Ведь то, что мы знаем о них сейчас — это результат многолетней работы многих великих астрономов и учёных.

Эпоха чёрных дыр

На самом деле, раньше не один учёный, который изучал чёрные дыры, не имел доказательств их реального существования. В основном, их идеи были основаны на математических расчётах.

Впервые предположение о существовании подобных областей во Вселенной выдвинул английский священник Д. Мичел в 1783 году. В свободное время он увлекался астрономией. Согласно его расчётам, если сжать астрофизический объект, то возникнет мощнейшая гравитационная сила. При этом его пределы не сможет покинуть даже свет.

Кроме того, подобную гипотезу выдвинул французский учёный Пьер Лаплас. Он считал, что в случае высокой гравитации тела скорость убегания больше световой скорости. То есть частицы света двигающиеся в точку не смогут двигаться бесконечно, и будут удерживаться гравитационной силой.

Пьер-Симон Лаплас

Спустя много лет в 1915 году Альберт Эйнштейн написал основные уравнения общей теории относительности. Они также предсказывали наличие особых областей в космическом пространстве.

В 1916 году на основе общей теории относительности Карл Шварцшильд расчитал числовое значение пространства и времени внутри и за пределами тела, влияющее на движение частиц и античастиц.

Джон Арчибальд Уилер

В дальнейшем многие великие учёные, в том числе и Стивен Хокинг, продолжили работу по изучению этих загадочных областей нашей Вселенной.

Как обнаружить чёрную дыру

Хотя они обладают огромной массой и гравитацией, обнаружение чёрных дыр с помощью телескопа практически невозможно. Дело в том, что они не излучают свет, а значит сливаются с тёмным небом.

Однако учёные смогли увидеть её, когда она поглощала вещество звезды. При этом появилось особенное и яркое излучение.

Можно сказать, что настоящее открытие области пространства-времени произошло в 1971 году. Тогда чёрная дыра Лебедь Х-1 была замечена в телескоп.

По правде говоря, история открытия и изучения чёрных дыр длилась очень долго и продолжается по сей день. Разумеется, мы прошли непростой путь от теории до их фактического обнаружения. Вероятно, в будущем нас ждут новые открытия. Мы, наконец, узнаем всё про эти таинственные области космоса.

Читайте также: